Spannungsqualität bei modernen Stromversorgungen

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Die Überprüfung der dynamischen Stabilität der Ausgangsspannung bei 20 bis 80% Lastsprüngen zeigt deutlich den Unterschied zwischen einer nicht optimal kompensierten und einer optimal kompensierten Regelstrecke.

Eine optimale Frequenzgangkompensation der Regelstrecke bedeutet einen minimalen Einfluss der Last auf die Ausgangsspannung im Frequenzbereich des Reglers (typisch DC – wenige 10 bis 100 kHz). Bei höheren Frequenzen wird die Qualität der Ausgangsspannung faktisch nur noch durch den Impedanzverlauf der Ein- und Ausgangsfilterstufen bestimmt. Kommen hier qualitativ hochwertige LC-Filterkreise zum Einsatz, kann bis in den MHz-Bereich eine saubere Ausgangsspannung garantiert werden.

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Lineare Leistungsendstufen als Stellglied

Als Stellglied dienen lineare Leistungsendstufen oder getaktete Systeme. Lineare Endstufen besitzen üblicherweise einen sehr geringen Rausch- und Störpegel und eine sehr breitbandige Leistungsverstärkung. Vornehmlich werden hier Emitter- bzw. Source-Folger, Darlington- oder Quasi-Darlington-Endstufen verwendet. Diese Endstufen besitzen üblicherweise nur eine sehr geringe, aber breitbandige Spannungsverstärkung und eine sehr hohe Stromverstärkung. Dies macht sie in der Frequenzgangkompensation sehr gutmütig und qualitativ hochwertig.

Der Regler kann bis zu sehr hohen Frequenzen mit voller Verstärkung arbeiten und muss daher erst sehr spät zurück genommen werden. Nachteilig ist bei Linearendstufen der schlechtere Wirkungsgrad, da der Spannungsüberschuss über das Stellglied in Wärme umgesetzt wird. Linearregler sind daher bei sehr geringer Ausgangsleistung, geringem Störpegel und hoher Lastdynamik sinnvoll.

Getaktete Systeme haben zwar ein schlechteres dynamisches Verhalten und höhere Störpegel, erzielen jedoch deutlich höhere Wirkungsgrade. Durch Erhöhung der Schaltfrequenz gewinnt das System an Schnelligkeit und reagiert somit dynamischer.

Getaktete Stromversorgungen besitzen zusätzlich das Problem einer prinzipbedingten Ripple-Spannung im Frequenzbereich der Taktfrequenz und derer Harmonischen, die messtechnisch durch einen relativ hochfrequenten Anteil in den Schaltaugenblicken sichtbar ist.

Die richtige Auswahl der Ausgangskondensatoren reduziert den Ausgangs-Ripple um ein Vielfaches. Ein interessantes Beispiel hierfür ist die derzeitige Autronic-Entwicklung eines DC/DC-Wandlers für die optische Geschwindigkeitsmessung von Zügen. In enger Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber wurde eine maßgeschneiderte Lösung umgesetzt. Der zu versorgende Prozessor erfordert eine störarme Umgebung mit einem deutlich reduzierten Ausgangs-Ripple.

Fazit: Moderne Stromversorgungen können bei richtiger Umsetzung eine hohe Spannungsqualität mit einer Genauigkeit unter 0,1% bieten. Auch Ausgangsimpedanzen im Bereich von µΩ sind zu realisieren. Die Herausforderung besteht heute vielmehr in der Abschätzung des tatsächlichen Lastverhaltens, einer adäquaten Reglerabstimmung und bei getakteten Stromversorgungen einer effektiven Befilterung des Schalt-Ripples.

* Sandra Maile ist Geschäftsführerin bei Autronic, Sachsenheim.

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